淬火温度对Mg–Sc合金微观结构和力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of quenching temperature on the microstructure and mechanical behavior of Mg–Sc alloy

Mg-Sc合金在650℃和680℃淬火后形成不同微观结构，前者为α相与β相平衡组织，后者出现大量针状α’马氏体。680℃淬火合金抗拉强度达372MPa但延伸率降至12%，工作硬化率提高至0.591，其变形机制包括位错滑移、孪生及马氏体重构。该研究揭示了低温淬火促进马氏体相变，为设计高强高韧镁合金提供新途径。

　　

王广贤|叶莉|王青|孙玉峰|关少康|王建峰

材料科学与工程学院及河南省先进轻合金重点实验室，郑州大学，郑州 450001，中国

摘要

一种名义组成为Mg–18.1at.%Sc的镁合金分别从650°C和680°C淬火至室温。在650°C淬火后，其微观结构由等轴六方密排（HCP）的α相和体心立方（BCC）的β相组成。当淬火温度升高到680°C时，微观结构中出现了大量的针状α?马氏体以及残留的β相。α?马氏体的形成是由于高温β相中Sc含量较低，导致β相不稳定，从而引发了β向α?马氏体的转变。650°C淬火的合金具有223MPa的屈服强度（YS）、257MPa的极限抗拉强度（UTS）和23%的延伸率（EL）。680°C淬火的合金抗拉强度提高至372MPa，但延伸率降低至12%，同时表现出较高的加工硬化率（YS/UTS比=0.591）。650°C淬火的合金的变形机制主要是位错滑移和孪晶形成，而680°C淬火的合金则同时发生位错滑移、孪晶形成和马氏体重排。这种马氏体结构为设计具有更好机械性能的新镁合金提供了潜力。

引言

镁-钪（Mg–Sc）合金以其亚稳态的体心立方（BCC）β结构而闻名，在特定条件下可以转变为正交晶系的α??马氏体[1]。这种β向α??的热弹性马氏体转变赋予了材料形状记忆效应和超弹性。因此，许多研究致力于探讨成分和微观结构对Mg–Sc合金形状记忆性能的影响[1],[2],[3],[4],[5]。例如，β型Mg–18.3at.%Sc合金在从-30°C加热到室温的过程中能够恢复形状[1]，而Mg–18.7at.%Sc合金在室温下表现出超弹性[2]。Li等人[3]指出，通过调整Mg–18.75at.%Sc合金的化学有序性及其沉淀物的微观结构，可以将马氏体转变温度（Ms）提高到218K。此外，β型Mg–Sc合金的传统机械性能（如强度和塑性）也得到了深入研究。Ogawa等人[6]报告称，这种合金的极限抗拉强度约为254MPa，延伸率为25%，优于商用AZ系列合金，并且与高性能AM系列合金相当[7]。引入六方密排（HCP）α相后，Mg–Sc合金的机械性能可以得到进一步提升[6],[8],[9]。由于β相中析出了细小的针状或片状α相，Mg–Sc合金还表现出时效硬化行为[8],[9]。在α + β双相Mg–Sc合金中，实现了更优的机械性能平衡，其抗拉强度达到312MPa，延伸率为28.8%[6]。 先前的多项研究[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17]表明，马氏体在增强钛合金的强度和韧性方面起着重要作用。一些β型钛合金在淬火后形成α?马氏体，同时保持了较高的加工硬化率和强度及塑性[14],[15],[16],[17]。对于镁合金而言，只有在经过塑性变形后，少数β型Mg–Sc合金中才能观察到具有HCP结构的α?马氏体[1],[18]。由于β型Mg–Sc合金的Ms低于室温，因此尚未有文献报道其α?马氏体的存在及其对合金机械性能的影响。先前研究[1],[2],[4]提出，通过降低Sc含量和稳定β相，可以有效提高Ms。本文选取了一种名义组成为Mg–18.1at.%Sc的镁合金进行研究，其Sc含量低于以往报道的Mg–Sc合金。热轧板材分别从650°C和680°C淬火至室温。通过改变淬火温度来调节高温β相中的Sc含量，并详细分析了不同温度下淬火试样的微观结构。在680°C淬火的合金中观察到了大量α?马氏体。同时，还讨论了不同温度下淬火试样的机械性能与微观结构之间的关系。

材料与方法

铸态Mg–Sc合金购自湖南稀土金属材料研究院有限公司。实际化学成分通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES：Agilent 5110）测定，Sc的实际含量为29.204wt.%（相当于18.204at.%）。合金锭在670°C下保温8小时后进行炉冷至室温。随后，从均匀化的锭材中切割出尺寸为50mm × 10mm × 5mm的合金板，用于后续的热轧加工。

650°C和680°C淬火后的Mg–Sc合金微观结构

图1展示了650°C和680°C淬火后的Mg–Sc合金的EBSD结果。如图1(a-a_{22所示，当淬火温度（Tq）升高到680°C时，合金微观结构中出现了大量的α?马氏体。}

结论

通过从680°C淬火至室温，获得了一种新型的α?马氏体Mg–Sc合金。与650°C淬火的α + β双相合金相比，该马氏体合金具有相当的屈服强度（YS）220MPa和更高的抗拉强度（UTS）372MPa，以及更高的加工硬化率和较低的屈服强度与抗拉强度比（YS/UTS）0.591。高加工硬化率归因于α?马氏体和β相的晶粒细化，以及淬火和变形过程中的孪晶形成，这些因素有助于缩短平均自由能路径。

作者贡献声明

孙玉峰：方法论研究、数据分析。 王青：结果验证。 叶莉：方法论设计。 王广贤：初稿撰写、实验设计、数据整理。 王建峰：修订稿撰写、资金申请、概念构思。 关少康：实验指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了河南省自然科学基金（项目编号：252300421313）的支持。